JP2014074669A - レーダモジュールおよびそれを用いた速度計測装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
速度計測装置などに用いられるレーダモジュールにおいて、レーダモジュールからレンズを介して放射される電磁波強度分布のモジュール間ばらつきを小さくしたレーダモジュールを提供すること。
【解決手段】
表面に平面アンテナが形成された基板を用いたレーダモジュールにおいて、片端面が平面であり別の片端面が球面であるレンズを有し、前記レンズの平面側を前記平面アンテナに接するように配置し、前記レンズの球面側を前記平面アンテナの遠方界に位置するように設けた。
【選択図】 図１
速度計測装置などに用いられるレーダモジュールにおいて、レーダモジュールからレンズを介して放射される電磁波強度分布のモジュール間ばらつきを小さくしたレーダモジュールを提供すること。
【解決手段】
表面に平面アンテナが形成された基板を用いたレーダモジュールにおいて、片端面が平面であり別の片端面が球面であるレンズを有し、前記レンズの平面側を前記平面アンテナに接するように配置し、前記レンズの球面側を前記平面アンテナの遠方界に位置するように設けた。
【選択図】 図１
Description
本発明は、輸送機器の対地速度を非接触的に計測する目的でミリ波帯あるいはマイクロ波帯などの電磁波を地面に向けて放射し反射波の周波数変化量を計測して速度を算出する速度計測装置などに用いられるレーダモジュールに関するものである。
自動車や鉄道車両などの輸送機器における対地速度を検出する方法として、車輪の回転数を計測することで速度を求める方法が一般的に用いられている。本手法では車輪のスリップ時に対地速度を計測できないこと、タイヤの空気の抜けや車輪の削れなどにより車輪の径が変化すると計測誤差が生じることが知られている。
一方で、ミリ波帯やマイクロ波帯のレーダモジュールを用い、このレーダモジュールから電磁波の連続波を地面に放射してその反射波を受信し、反射波の周波数変化量を計測して対地速度を算出する速度計測装置も知られている（例えば、特許文献１を参考）。本手法は非接触式であるため、スリップ時も対地速度が計測可能であり、車輪の径の変化の影響も受けない。
この電磁波を利用したレーダモジュールにおいては、一般的にアンテナの指向性が広いため、レンズを用いて指向性を鋭くする必要がある。例えば、特許文献２には樹脂パッケージ内に発振器や混合器などの能動回路とアンテナとを同一の半導体基板に搭載したＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）チップを封止させるとともに、樹脂パッケージ表面のアンテナの上方にあたる位置にレンズを接着搭載したレーダモジュールが提案されている。特許文献３にはテーパードスロットアンテナの開口部に接するようにレンズを搭載する構成が提案されている。特許文献４には電磁波を伝搬させる平面誘電体線路の端部付近に誘電体共振器を設け、共振現象により空中に電磁波を放射させると共に、この共振器の上方に空隙を設けてレンズを配置する構成が提案されている。
しかしながら特許文献２では、ＭＭＩＣチップを樹脂封止する際にリードフレーム位置が正確に定まらないためレンズの入射面とアンテナ面の間隔のモジュール間ばらつきが生じやすく、またレンズのアンテナ側の端面が近接界または近傍界の範囲にあり電界パターンが距離によって大きく変わってしまうため、このわずかなずれがレーダモジュールからレンズを介して放射される電磁波強度分布のモジュール間ばらつきの原因となる課題があること、また、レンズの接着面がインピーダンス不整合面となるため透過率が悪くなる課題があること、さらに、パッケージ内におけるＭＭＩＣチップは接着によるため位置が定まらずアンテナの軸の位置がパッケージ間でばらつくことや、パッケージが不透明のため、レンズの軸とアンテナの軸の位置あわせが不可能でありミリ波の放射方向がレンズの軸からずれることがある。このレンズの軸とアンテナの軸がずれたレーダモジュールを速度計測装置として用いると装置間の計測ばらつきが生じる、という課題がある。
また、特許文献３では、電磁波の放射軸方向の長さが必要である課題があること、基板の端面のほとんど線状となっている箇所にレンズを設置する必要があるためレンズの位置を定めにくく、固定も難しい課題がある。
さらに、特許文献４では、共振現象を利用しているため共振器の上下面は確実に共振現象を発生させるために空隙を設ける必要があるためレンズは空隙を設けて配置する必要があるが、レンズの効果を引き出すためにはレンズ全体を近傍界の領域からかなり離れた遠方界に配置する必要があるため、広い空隙が必要であり、また、共振器から放射される電磁波は広角であることから大型のレンズが必要となる課題がある。
本発明の目的は、速度計測装置などに用いられるレーダモジュールにおいて、レーダモジュールからレンズを介して放射される電磁波強度分布のモジュール間ばらつきを小さくしたレーダモジュールを提供することである。
上記目的を達成するために、本発明では、表面に平面アンテナが形成された基板を用いたレーダモジュールにおいて、片端面が平面であり別の片端面が球面であるレンズを有し、前記レンズの平面側を前記平面アンテナに接するように配置し、前記レンズの球面側を前記平面アンテナの遠方界に位置するように設けた。
本発明によれば、速度計測装置などに用いられるレーダモジュールにおいて、レンズを介して放射される電磁波強度分布のモジュール間ばらつきを小さくすることが可能となる。
（実施例１）
以下、図１から図６を参照にして本発明の第１の実施例を説明する。なお、本実施例では７７ＧＨｚ帯の電磁波（ミリ波）を利用するレーダモジュールを用いた速度計測装置を例に取り上げる。
以下、図１から図６を参照にして本発明の第１の実施例を説明する。なお、本実施例では７７ＧＨｚ帯の電磁波（ミリ波）を利用するレーダモジュールを用いた速度計測装置を例に取り上げる。
図１は速度計測装置の主要部であるミリ波レーダモジュール１の構成の一例を示す図である。ミリ波レーダモジュール１は主として基板２０、ＭＭＩＣチップ１５、およびレンズ１０とから構成される。なお、本図においては、レンズ１０は基板２０に固定する前の状態を示している。
基板２０には平面アンテナ２２と給電線２１、外部回路との接続に用いる一連の配線２３が形成されており、また、ＭＭＩＣチップ１５を接着して搭載するＩＣ搭載キャビティ１４とレンズ１０の搭載位置を決めるレンズ搭載キャビティ２５Ａ〜２５Ｄが形成されている。なお、基板２０の一例として、セラミック多層基板やプリント基板を用いており、また、平面アンテナ２２としてパッチアンテナを、給電線２１としてマイクロストリップ線路を用いている。また、基板２０の内層には平面アンテナ２２と平行なＧＮＤ面が一面に広がっている。
ＭＭＩＣチップ１５への外部からの電源供給、ならびに、信号の入出力はＭＭＩＣチップ１５と一連の配線２３との間をワイヤボンディング１９で接続し、パッド部２３Ａより外部回路と接続する。ＭＭＩＣチップ１５のミリ波帯信号端子と平面アンテナ２２から伸びる給電線２１との接続は、ワイヤボンディング１８Ａにより行なう。また、基板２０の内層のＧＮＤ面とＭＭＩＣチップ１５のＧＮＤ端子との接続は、ワイヤボンディング１８Ｂとワイヤボンディング１８Ｃで行なう。これらの接続により、ＭＭＩＣチップ１５で生成したミリ波帯送信信号の空中への電磁波の放射と空中からの電磁波の受信は、平面アンテナ２２を介して行なうことができる（なお、アンテナやレンズは可逆性があるので、送信用、受信用は同じ構成をとることができる。以下の記述では特に記載の無い限り、アンテナは送信用として記述する。）。
レンズ１０は平面アンテナ２２から放射される電磁波の指向角が広いため、集束効果により指向性を鋭くさせる目的で用いる。
図２はレンズ１０の接着面からみた構造の一例を示す図である。なお、レンズ１０の材料の一例として、誘電率２〜１０程度の樹脂などの材料を用いている。レンズ１０は、曲面部１０Ａと平面部１０Ｂとから形成されている。平面部１０Ｂが上述の平面アンテナ２２と直接接する。
さらに、レンズ１０は、レンズ１０と同一材料で一体的に伸張させた構造となっているフランジ１１Ａとフランジ１１Ｂを有し、このフランジ１１Ａとフランジ１１Ｂに位置あわせボス１２Ａ〜１２Ｄを有する構造となっている。なお、これらの位置あわせボスの１２Ａ〜Ｄの位置は、図１における前述の基板２０のレンズ搭載キャビティ２５Ａ〜Ｄと同じ位置となっている。
図１に戻り、レンズ１０の基板２０への固定は、位置あわせボス１２Ａ〜Ｄとレンズ搭載キャビティ２５Ａ〜Ｄ部分における接着にて行なう。なお、固定の際に、フランジ１１Ａ、１１Ｂは給電線２１に重ならない方向で固定する。
図３は、ミリ波レーダモジュール１を側面から見た図である。レンズ１０の平面部１０Ｂは直接平面アンテナ２２に接する。つまり、平面部１０Ｂは平面アンテナ２２の近接界に位置する。一方、曲面部１０Ａは平面アンテナ２２の中心部から波長λ程度以上に位置する、つまり平面アンテナ２２の遠方界に位置するようにした。遠方界に位置することで空間インピーダンスが一様とみなせるので、曲面部１０Ａと平面アンテナ２２との距離が多少ばらついても、電磁波の集束効果のばらつきはレーダモジュール１の動作に影響を与えない程度に小さい。また、フランジ１１Ａとフランジ１１Ｂの位置はレンズ１０の中心軸からθ以上離れた位置とすることで、フランジ１１Ａ〜Ｂがレンズの効果を妨げない効果を得ることが可能となる。なお、平面アンテナの放射角は±４５度程度であるので、θは６０度程度以上とすることが望ましい。
図４、図５は、速度計測装置２の構成の一例を示す図およびその断面図である。速度計測装置２は主として、前述のミリ波レーダモジュール１、周辺回路３１、アルミベース３２、ハウジング３３、カバー３７とから構成される。なお、図４において、カバー３７はハウジング３３に固定する前の状態で示している。
ここで、周辺回路３１は主として速度計測装置２の外部から受ける電源電圧を所望の電圧に変換して周辺回路３１内部とミリ波レーダモジュール１に電源を供給する機能と、ミリ波レーダモジュール１を制御し、またミリ波レーダモジュール１から出力される信号を計測速度情報に変換する機能、ならびに、計測速度情報を速度計測装置２の外部へ出力する機能からなる。
アルミベース３２は、速度計測装置２を輸送機器に固定する固定穴と速度計測装置２の放熱の機能を有しており、ミリ波レーダモジュール１、周辺回路３１、ハウジング３３が固定されている。ハウジング３３は外部との接続に用いるコネクタ部３３Ａを有しており、また、アルミベース３２の溝３２Ｂに勘合して接着固定される。また、周辺回路３１とコネクタ部３３Ａの電気的接続はワイヤボンディング３４を用いる。
カバー３７はレンズ構造３７Ａ、Ｂを有しており、レンズ１０から放射される電磁波の指向性を集束効果によりさらに鋭くさせることが可能である。このカバー３７はハウジング３３の溝３３Ｂに勘合して接着固定される。よって、ミリ波レーダモジュール１と周辺回路３１はアルミベース３２、ハウジング３３、カバー３７とそれぞれの間の接着により雨水や埃からの保護が可能となっている。
図６は、速度計測装置の回路の概略構成の一例を示す図である。ミリ波レーダモジュール１内のＭＭＩＣチップは主として発信器１３４、送信用増幅器１１０、アイソレータ１１９、受信用増幅器１１３、混合器１１２で構成される。アイソレータ１１９に接続されているポート１２０において、ミリ波帯信号の送信と受信が行なわれる。さらに給電線２１により、ポート１２０と平面アンテナ２２との間を接続し、信号伝達が行なわれる。
ミリ波レーダモジュール１の動作について以下に説明する。発振器１３４で生成された７７ＧＨｚ帯の高周波信号は送信用増幅器１１０で増幅された後、アイソレータ１１９を介して平面アンテナ２２に伝搬されて、平面アンテナ２２より空間へ電磁波となって放射される。放射された電磁波はレンズ１０とレンズ機能を有するカバー３７により集束され地面に入射される。地面でミリ波は反射し、また対地との速度に比例してドップラ効果により反射波の周波数が変化する。地面で反射した電磁波はカバー３７とレンズ１０を通じて平面アンテナ２２に入射する。平面アンテナ２２により受信された信号は、アイソレータ１１９により受信用増幅器１１３に伝搬される。この信号は受信用増幅器１１３により増幅され、混合器１１２で発信器１３４から出力される高周波信号と混合されＩＦ（Intermediate Frequency）信号が生成され、演算回路２０１に入力される。このＩＦ信号の周波数がドップラ効果による周波数変化の絶対値となる。演算回路２０１の動作は主にＡＤ変換器でＩＦ信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号をＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理によりＩＦ信号の周波数を求め、速さｖに換算する。なお、速さｖはミリ波の地面への入射方向と速度ベクトルの逆方向とのなす角をθとすると、
（式１）
ｖ＝（ｃ／ｆ0｜cosθ｜）×ｆd
の関係式で表される。ここで、ｃは光速、ｆ0は発振器から出力される信号の周波数、ｆdはドップラ効果による周波数変化量である。
（式１）
ｖ＝（ｃ／ｆ0｜cosθ｜）×ｆd
の関係式で表される。ここで、ｃは光速、ｆ0は発振器から出力される信号の周波数、ｆdはドップラ効果による周波数変化量である。
以上の構成により、以下の効果が期待できる。
（１）平面アンテナ２２とレンズ１０の位置関係を正確に合わせることで、電磁波照射方向のモジュール間ばらつきを小さくすることが可能となる。（２）平面アンテナ２２とレンズ１０との空隙をゼロとすることで、レンズを介して放射される電磁波強度のモジュール間ばらつきを小さくすることが可能となるとともに、平面アンテナから放射される電磁波を効率よくレンズ１０に入射させることが可能となる。（３）平面アンテナ２２とレンズ１０との距離が極小であるため、レンズ１０を小型にすることが可能となり、電磁波の放射軸方向におけるレーダモジュール１の長さを短くできるとともに、特性のよい高価な材料を用いてもコストへの影響が小さい。
（４）フランジを２つに分けることにより、フランジが直接給電線に重ならず、平面アンテナ２２への給電に影響が無い。（５）樹脂成形技術により、レンズ１０、フランジ１１Ａ〜Ｂ、位置あわせボス１２Ａ〜Ｄを同時に形成でき、工程上低コストである。（６）樹脂成形を射出成形とする場合に、ゲートをフランジ１１Ａまたはフランジ１１Ｂに置くことが可能となり、レンズ１０の集束特性に影響を与える成形時の歪を抑えることが可能となる。
（７）レンズ１０の曲面部１０Ａが平面アンテナ２２の遠方界に位置するので、曲面部１０Ａの集束の効果を容易に求めることができる。（８）フランジ１１Ａ〜Ｂがレンズの効果を妨げない。
（実施例２）
次に、図７を参照にして本発明の第２の実施例を説明する。
（実施例２）
次に、図７を参照にして本発明の第２の実施例を説明する。
図７に示すミリ波レーダモジュール５の構成においては、基板５０内における平面アンテナ５２への給電線を太さの異なる給電線５１Ａ、５１Ｂで構成している。なお、給電線５１Ａと給電線５１Ｂの接続界面はレンズ１０の境界と同じ位置となるようにしている。
本構成により、レンズ１０を追加することによる給電線上面の誘電率変化による給電線のインピーダンスの変化を小さくすることが可能となる。
（実施例３）
次に、図８を参照にして本発明の第３の実施例を説明する。
（実施例３）
次に、図８を参照にして本発明の第３の実施例を説明する。
図８に示すミリ波レーダモジュール６の構成においては、基板６０に段差構造６５を設けた。この段差構造６５にはレンズ６７の外周と同じ大きさのキャビティ構造６５Ａが平面アンテナ６２を取り囲むように構成され、さらに、給電線６１に段差構造６５が重ならないように溝６５Ｂと設けた。レンズ６７はキャビティ構造６５Ａに勘合させ、接着する。なお、接着部はレンズ６７の外周部とすることが望ましい。
本構成により、レンズ６７の位置あわせが容易となる。
（実施例４）
次に、図９と図１０を参照にして本発明の第４の実施例を説明する。
（実施例４）
次に、図９と図１０を参照にして本発明の第４の実施例を説明する。
図９に示すミリ波レーダモジュール７の構成においては、基板７０には２個の平面アンテナ７４Ａ、７４Ｂとこれらに接続される給電線７４Ａ、７４Ｂが形成され、基板７０に接着されたＭＭＩＣチップ１６のミリ波帯信号端子と接続されている。この基板７０に２個のレンズ構造７１Ａ、７１Ｂを有するレンズアレイ７１を接着する。
図１０は、速度計測装置８０の断面図である。前述のミリ波レーダモジュール７の平面アンテナ７３Ａ、７３Ｂから放射された電磁波はそれぞれレンズ構造７１Ａ、７１Ｂに入射して集束される。レンズ構造７１Ａ、７１Ｂから放射された電磁波はカバー３７のレンズ構造部３７Ａ、３７Ｂにより、それぞれ照射方向Ａ、Ｂの方向に向かって電磁波が放出される。なお、本説明においてはアンテナとレンズの組を２個としたが、これ以上の複数であってもよい。
本構成により、１枚の基板から複数の方向に正確にミリ波の放射が可能となる。
なお、以上の説明においては速度計測装置を例にとって説明したが、電磁波を変調することによって対象物との間の距離と相対速度を同時に計測する一般のレーダにも利用可能である。
１、５、６ ミリ波レーダモジュール
２、８０ 速度計測装置
１０、６７ レンズ
１１Ａ、１１Ｂ
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ
１５、１６ ＭＭＩＣチップ
２０、５０、６０、７０ 基板
２１、５１Ａ、５１Ｂ、７４Ａ、７４Ｂ 給電線
２２、５２、６２ 平面アンテナ
２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ レンズ搭載キャビティ
３１ 周辺回路
３２ アルミベース
３３ ハウジング
３７ カバー
６５ 段差構造
７１ レンズアレイ
２、８０ 速度計測装置
１０、６７ レンズ
１１Ａ、１１Ｂ
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ
１５、１６ ＭＭＩＣチップ
２０、５０、６０、７０ 基板
２１、５１Ａ、５１Ｂ、７４Ａ、７４Ｂ 給電線
２２、５２、６２ 平面アンテナ
２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ レンズ搭載キャビティ
３１ 周辺回路
３２ アルミベース
３３ ハウジング
３７ カバー
６５ 段差構造
７１ レンズアレイ
Claims (11)
- 表面に平面アンテナが形成された基板を用いたレーダモジュールにおいて、
片端面が平面であり別の片端面が球面であるレンズを有し、
前記レンズの平面側を前記平面アンテナに接するように配置し、前記レンズの球面側を前記平面アンテナの遠方界に位置するように設けたことを特徴とするレーダモジュール。 - 請求項１に記載のレーダモジュールにおいて、
前記レンズは、前記レンズと同一材料で一体的に伸張させたフランジを有することを特徴とするレーダモジュール。 - 請求項２に記載のレーダモジュールにおいて、
前記フランジは、一部を切り欠いた切り欠き部を有し、
前記切り欠き部の領域に前記平面アンテナに接続される給電線を配置したことを特徴とするレーダモジュール。 - 請求項２に記載のレーダモジュールにおいて、
前記フランジは、前記レンズの平面側に位置合わせボスを有し、
前記基板は、前記位置合わせボスと同じ位置に位置合わせキャビティを有することを特徴とするレーダモジュール。 - 請求項２に記載のレーダモジュールおいて、
前記フランジは、前記レンズの中心軸に対し６０度以上の領域で形成したことを特徴とするレーダモジュール。 - 請求項１に記載のレーダモジュールにおいて、
前記基板は、前記平面アンテナに接続される給電線が形成されており、
前記給電線は、前記基板と前記レンズとの界面を境界として太さが異なることを特徴とするレーダモジュール。 - 請求項１に記載のレーダモジュールにおいて、
前記基板は、前記レンズの外周と略同じ大きさのキャビティ構造からなる段差構造を有し、
前記キャビティ構造は、前記平面アンテナを取り囲むように形成されていることを特徴とするレーダモジュール。 - 請求項７に記載のレーダモジュールにおいて、
前記段差構造は、さらに、前記平面アンテナに接続される給電線の上部を開放させる溝構造を有することを特徴とするレーダモジュール。 - 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のレーダモジュールにおいて、
前記平面アンテナは、複数設けられており、
前記レンズは、前記平面アンテナと同数のレンズ構造を備え、
各々の前記レンズ構造は各々の前記平面アンテナに対応するように前記基板上に配置され、
複数の前記レンズ構造体は一体化して形成されていることを特徴とするレーダモジュール。 - 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のレーダモジュールを用いたことを特徴とする速度計測装置。
- 請求項１０に記載の速度計測装置において、
前記レーダモジュールの前記基板の前記レンズが搭載してある面の上方に第２のレンズを設けたことを特徴とする速度計測装置。
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